电化学气体传感器

电化学气体传感器的研究

电化学气体传感器是由膜电极和电解液灌封而成的。气体浓度信号将电解液分解

成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确（可用于ppm级），稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大于等于两年）。它主要适用于

毒性气体的检测，目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。

电化学气体传感器的分类

电化学气体相当一部分的可燃性的、有毒有害气体都有电化学活性，可以被电化学氧

化或者还原。利用这些反应，可以分辨气体成份、检测气体浓度。电化学分很多子类：(1)、原电池型气体传感器(也称：加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器)，他们的原理行同我们用的干电池，只是，电池的碳锰电极被气体电极替代了。以氧气传感器为例，氧在阴极被还原，电子通过电流

表流到阳极，在那里铅金属被氧化。电流的大小与氧气的浓度直接相关。这种传感器

可以有效地检测氧气、二氧化硫、氯气等。

(2)、恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测还原性气体非常有效，它的原理与原电池型传感器不一样，它的电化学反应是在电流强制下发生的，是一种真正

的库仑分析的传感器。这种传感器已经成功地用于：一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体的检测之中，是目前有毒有害的主流传感器。

(3)、浓差电池型气体传感器，具有电化学活性的气体在电化学电池的两侧，会自发形成浓差电动势，电动势的大小与气体的浓度有关，这种传感器的成功实例就是汽车用

氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。

(4)、极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度的传感器利用电化池中的极限电流与载流子浓度相关的原理制备氧(气)浓度传感器，用于汽车的氧气检测，和钢水中氧

浓度检测。

电化学气体传感器是通过检测电流来检测气体的浓度，分为不需供电的电池式以

及需要供电的可控电位电解式。

基于电化学原理工作的传感器其最简单的一种型式就是两电极系统。其工作电极

和对电极由一薄层电解液隔开并经由一个很小的电阻联通外电路。当气体扩散进入传

感器后，在敏感电极表面进行氧化或还原反应，产生电流并通过外电路流经两个电极。该电流的大小比例于气体的浓度，可通过外电路的负荷电阻予以测量。

为了让反应能够发生，敏感电极的电位必须保持在一个特定的范围内。但气体的浓度

增加时，反应电流也增加，于是导致对电极电位改变（极化）。由于两电极是通过一

个简单的负荷电阻连接起来的，虽然敏感电极的电位也会随着对电极的电位一起变化。如果气体的浓度不断地升高，敏感电极的电位最终有可能移出其允许范围。至此传感

器将不成线性，因此两电极气体传感器检测的上限浓度受到一定限制。

电化学技术与催化燃烧技术的比较如下：

不同电化学气体传感器中所包含的不同成份决定了它可与相应的毒气发生反应；

测量头可测量反应所产生的电流并将其转换成气体浓度值(PPM或PPB)。催化传感器

在涂有催化剂的小球上“无焰燃烧”可燃性气体；测量头可测量电阻的变化并通过

A/D转换，显示变化相应的读数。一般以爆炸下限作为满量程。

由于电化学型和催化燃烧型测量头相对较低的成本，它们通常被用于“源点”(即泄漏有可能发生的地方)处的测量。因而对泄漏的反应迅速并可连续探测。另外，由于没有可移动部件，所以不会造成机械故障。

但是，这两种类型的传感器也有缺点：一些气体传感器不但对与之相应的气体（即它

们按照设计应该反应的气体）反应，而且对其他气体（干扰气体）也发生反应，因此

有必要注意在设计和安装过程中避免将这些传感器用在有可能有干扰气体存在的地方。传感器需要定期标定，通常为三个月一次（视不同品牌，工作环境，工作状态等因素

的影响）；传感器在使用1到3年后通常需要更换（视不同品牌，工作环境，工作状

态等因素的影响）。另外，有些品牌的传感器使用的是电解溶液，这就需要定期填充

电解液。

电化学气体传感器大都是以水溶液作为电解质，电解质的蒸发或污染，常会导致

传感器的信号下降，使用寿命短；由于在空气中有被测物质存在，传感器中的有效成

分被消耗，因此传感器一旦被启封，就视为参加了使用，即使没用于测量，它的生命

也在缩短；电化学型气体传感器的寿命期望值为2年，使用不当它的寿命可能更短，

而传感器更换的费用较高。因此如何保证其使用寿命，传感器的正确维护对烟气分析

仪的使用尤为重要。

传感器长时间暴露在烟气中会极大影响使用寿命，只有短时间与被测对象接触，长期

处于新鲜的空气中即可维护其正常使用寿命。因此，仪器开机时，一定要在清洁的空

气中。测量完毕后，不要立即关机，仪器必须在清洁空气保持运行时间5～10min，待仪器气体显示值降至10单位以下，保持仪器内部处于新鲜空气的环境，方可关机或停泵，否则，传感器容易“中毒”并加速传感器的损耗。

对于装有粉尘过滤装置的仪器，要及时更换过滤芯，避免粉尘进入传感器内，污染传

感器。对于便携式仪器，不论仪器是否经常使用，至少每隔2～3周充电一次，且采样时电池电量不应低于30％。

有些厂商安装了两个泵：抽气泵和内置的清洗泵，在仪器连续监测一段时间后，抽气

泵会关闭，在仪器内部的清洗泵会自动开启，抽取仪器周围的清洁空气，使仪器的传

感器得到充分的清洗，这样也延长了传感器的使用寿命。

电化学气体传感器应用领域很广，可用于化工、采矿、军事等行业的安全检测、

环保监测、生产过程控制等。这种电化学气体传感器具有体积小、检测速度快、准确、便于携带、可现场直接检测和连续检测等独特优点，优于过去在以上行业占主导地位

的光学和光谱等气体检测方法。它对于改善人类的生活环境，保障人们身心健康有着

重要的现实意义，因此具有良好的市场前景。